燃机韦伯指数对发电机组稳定性影响简析

叶锴 薛凌霄

摘  要：韦伯指数是代表燃气热值特性的一个参数，也可以称作热负荷指数。韦伯指数大的，则热负荷也较大。了解韦伯指数对燃气轮机机组热稳定性的影响，对提高机组稳定性非常有利。

关键词：韦伯指数;热负荷;稳定性

中图分类号：TM611         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）32-0063-02

Abstract： The Weber Index is a parameter that represents the calorific value of a gas， also calls the thermal load index. When the Weber Index is larger， means the greater heat load. Understanding the influence of Weber Index on the thermal stability of gas turbine unit is very beneficial to improve the stability of the unit.

Keywords： Weber Index; thermal load; stability

在燃气工程中，高热值是指单位数量的燃气完全燃烧后，其燃烧产物与周围环境恢复到燃烧前的原始温度，烟气中的水蒸汽凝结成同温度的水后所释放出的全部热量。低热值是在上述条件下，燃气中的水蒸汽仍以凝结状态存在时，所获得的全部热量。

当燃烧器喷嘴前压力P2不变时，燃气热负荷Q与燃气热值H成正比，与燃气相对密度的平方根s1/2成反比。因此韦伯指数也能作为互换性指数，最能够表征天然气或者各燃料气体掺混后形成的混合气体热值。各国规定在两种燃气互换时韦伯指数的变化不大于±5%～±10%。

9F燃气轮机采用的干式低氮（DLN2.0+）燃烧室，为了全过程的安全稳定燃烧，对进入燃烧室内的天然气韦伯指数要求非常高，一般变化范围在5%以内。必要时候可以调整燃料气温度来适应其热值或比重的变化。只要气体组成成分未发生大范围波动，天然气相对空气的比重大致为0.58～0.61不变。天然气低位发热量就是燃气完全燃烧后冷却到初始状态（环境温度：273.15K，标准大气压1.01325bar）时释放出来的热量，燃烧产物H2O仍以气态形式存在，这个值只与燃料气组分有关。天然气的低位发热量为28233 KJ/Kg（970 btu/scf）左右，查找某燃机电厂燃料气记录单，可以发现经过热值分析仪测量出的这个数值基本不会发生大的波动。因此公式2其实就是一个变量，一个未知量两者之间的对应关系。

在机组实际运行中，韦伯指数值主要参与控制燃气轮机内燃烧模式的调整，是预混燃烧允许的必要条件之一。韦伯指数参与预混燃烧模式调整具体逻辑图见图1。燃气轮机机组预混燃烧模式的定义：当机组处于50%～100%基本负荷，TTRF1>1265.6℃情况下，燃料气直接进入G2（PM1），G3（PM4）支管燃烧。

图1中，影响机组能否顺利进入预混燃烧模式的四个判断条件是：A：发电机开关合闸，机组已经并网;B：燃烧基准温度TTRF1>2300℃;C：内部逻辑计算出的韦伯指数值，符合燃烧室要求（具体逻辑图见图2）;D：预混燃烧模式锁定。

图2可以看出Mark VI控制系统逻辑图中，韦伯指数上限为43.867n/d，下限为39.689n/d（这是根据9F燃气轮机透平内部燃烧稳定性要求计算得出）。只有在两值中间的数值才能让L3FTGM_PERM输出为1。这个值上限对应的天然气温度值为179.58℃，下限值对应的则是198.9℃。某燃机电厂燃机运行规程中规定：在预混燃烧时，天然气的温度维持在187.8℃，一旦天然气温度超过193.3℃，性能加热器就会为了防止其内部局部过热碳化自动退出。（值得注意的是：当机组在启动过程中，性能加热器常因超温退出后，燃料气温度会快速下降，若此时运行人员未及时发现并重新投入加热器，韦伯指数会超过43.867 n/d这个上限，为了使燃烧稳定，机组内部逻辑判断，降负荷并且自动退出预混燃烧模式，稳定在先导预混燃烧模式）

具体案例分析：2007年3月，某燃机电厂1号、3号两台燃机正常运行，2号刚进入预混燃烧，投入电网控制（AGC）。突然三台燃机同时发自动减负荷指令，齐减负荷，并且都退出了预混燃烧模式，MARK VI报警系统发出：“FUEL GAS SYS LOWER DUE TO WOBBE INDEX（L30FGWI_ALM）”报警，查看逻辑发现这是由于天然气气相色谱仪系统失电，造成色谱仪送到Mark VI的天然气低位发热量数值到零（该值正是生成华白指数的重要计算参数），韦伯指数（华白指数）急降所致，而三台机组共用一套色谱分析仪，数值信号是公用的，这才会造成所有机组齐减负荷事故的发生。

事后，某燃机电厂热工部总结经验：基于气相色谱仪发出的天然气热值信号无锁存，并且天然气组分稳定，热值信号不会发生大的变化这一情况，热工检修人员在MARK VI控制系统中增加了防信号突变逻辑，避免该类故障的再次发生。

案例二：2006年8月23日，2号机组在启动阶段投用天然气性能加热器后，天然气温度逐渐上升。当时天燃气温度155℃，机组负荷150MW，TTRF1为1120℃。这时突降大雨，由于之前未碰到类似情况，性能加热器及后部管道无保温措施，天然气温度降至145℃以下，燃机退出预混燃烧模式，负荷从150MW降至115MW。后无论运行如何调整，天然气温度一直徘徊在150℃附近，机组一直无法加负荷，直至雨停之后，管线内温度重新回复至187.8℃。启机时间为此多延迟了45min。

事后总结经验，为防止今后同类事故的发生，事后在天然气加热器及后部管道上加装保温层。对于涉及燃机继电保护的几个重要测点，加强保温验收工作。

具有相同韦伯指数的不同燃气成分，在相同的燃烧压力下，能释放出相同的热负荷。假设两种燃气的热值和密度均不相同，但只要它们的韦伯指数相等，就能在同一燃气压力下和同一热交换器上获得同一热负荷，在互换时能使燃机保持相同的热负荷和一次空气系数。在不同类型燃料气间互换时，要考虑衡量热流量大小的特性指数。

参考文献：

[1]张水波.工程管理专业[M].中国建筑工业出版社，2008：120.

[2]吴胜法.影响S109FA机组启动速度和安全运行的因素分析[J].燃气轮机技术，2006，03：48-52.

[3]陈福湘.大型燃气-蒸汽聯合循环发电技术丛书设备及系统分册[M].中国电力出版社，2009：5-6.